戚建偉

（華電曹妃甸重工裝備有限公司，河北 唐山 063200）

減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施的分析與探討

戚建偉

（華電曹妃甸重工裝備有限公司，河北 唐山 063200）

本文主要介紹了焊接過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接應(yīng)力以及發(fā)生變形的原因，也規(guī)劃了防止構(gòu)件變形的基本工藝措施和焊接過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

焊接應(yīng)力；變形；工藝措施

在我們的工藝生產(chǎn)過(guò)程中，我們時(shí)常會(huì)碰到工業(yè)零件在焊接后會(huì)變形甚至構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。在焊接過(guò)程中構(gòu)件承擔(dān)外在力量時(shí)，外載應(yīng)力和焊接應(yīng)力會(huì)相互疊加從而會(huì)使某部位的承受壓力超出承受范圍之內(nèi)，導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生新的塑性變形，若塑性變形過(guò)大的話將會(huì)影響構(gòu)件的使用，構(gòu)件也會(huì)生成細(xì)小裂紋。要確保焊接質(zhì)量必須降低、減小焊接過(guò)程中的應(yīng)力與塑性變形。

1 產(chǎn)生焊接變形及焊接應(yīng)力的原因

當(dāng)構(gòu)件在焊接的時(shí)候已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生變形而且會(huì)隨著焊件上的溫度波動(dòng)和熱源的移動(dòng)而變化。在通常情況下，任意一條焊縫在焊接過(guò)程中都會(huì)發(fā)生受熱膨脹，尤其在高溫地區(qū)金屬在熱脹冷縮時(shí)將會(huì)產(chǎn)生塑性變形，先焊接部位會(huì)先開(kāi)始冷卻、凝固，然而膨脹和收縮卻是在這條焊縫的不同部位產(chǎn)生，這種情況會(huì)持續(xù)到溫度恢復(fù)到室溫的時(shí)候熱變形才會(huì)停止。焊接時(shí)焊接變形的存在因素有：金屬局部產(chǎn)生伸縮與收縮變形后所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、構(gòu)件內(nèi)部由于溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力、內(nèi)部與外部在冷卻時(shí)的不同步調(diào)以及局部相變等。

由于焊件受到自身的約束，在焊接過(guò)程中便會(huì)制止受熱區(qū)的膨脹，所以會(huì)因?yàn)椴荒茏杂傻臒崦浝淇s而變形，當(dāng)冷卻時(shí)，焊件便會(huì)產(chǎn)生殘余變形、彎曲和殘余應(yīng)力。因?yàn)樗鼧?biāo)志著一個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性能，所以許多的焊件結(jié)構(gòu)破壞事故都是焊接產(chǎn)生的應(yīng)力造成焊后殘余塑性變形而引起的。焊接應(yīng)力和塑性變形是由于焊接過(guò)程中受熱不均勻產(chǎn)生的，而熱裂紋產(chǎn)生的物理原因是熱應(yīng)力。另外，受到約束的平板在自然狀態(tài)下會(huì)對(duì)焊縫的橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生縱向壓縮。

焊縫長(zhǎng)度影響縱向收縮、引起橫向殘余應(yīng)力的分布。在焊接時(shí)溫度場(chǎng)上的部分受熱區(qū)金屬會(huì)加快膨脹，相反，冷卻區(qū)的金屬便會(huì)慢慢收縮，所以也產(chǎn)生了制約彼此的應(yīng)力：隨著溫度場(chǎng)的不斷前移，那些原先受到膨脹的金屬便會(huì)在冷卻過(guò)程過(guò)程中收縮，而它此時(shí)的收縮卻會(huì)受到比它先冷卻的金屬的牽制，從而大部分應(yīng)力便會(huì)傳遞給相鄰的金屬給之施加壓力，但是它也會(huì)受到正在膨脹的金屬的推力?？梢钥闯觯壤鋮s的金屬總是產(chǎn)生拉力，從而造成膨脹的被壓縮而收縮的被拉伸。焊接方向和順序會(huì)對(duì)焊后沿整條焊縫軸線的縱截面上內(nèi)應(yīng)力保持平衡而形成的橫向應(yīng)力的分布產(chǎn)生影響。橫向殘余應(yīng)力的分布在焊接時(shí)由兩端向中心或者由中心向兩端是完全不同的。但是在焊接的終點(diǎn)處的拉力是相同的[1]。

在焊接接頭中會(huì)有三個(gè)方向的拉伸殘余應(yīng)力，因?yàn)樵诤穸确较蛏系膬商庨_(kāi)坡口是不對(duì)稱的，會(huì)有J/V這兩種形式的開(kāi)坡口，又因?yàn)榻宇^處厚度方向上的應(yīng)力分布是不均勻的，所以J形坡口的焊縫拉力遠(yuǎn)大于另一邊的拉力。因此這種焊接接頭時(shí)，構(gòu)件焊縫厚度方向會(huì)出現(xiàn)比較大的不對(duì)稱的拉伸應(yīng)力是因?yàn)槭艿街車(chē)慕饘俚闹萍s。為了保證在施焊過(guò)程中的方便、減少填充金屬使用量、降低坡口加工費(fèi)用和減少焊接變形、預(yù)防裂紋的產(chǎn)生、減少焊接金屬中的原材料的比例，我們需要在接口處開(kāi)J/V形焊縫接口形式，達(dá)到方便的送進(jìn)焊條。因?yàn)樵牧显谌廴氲谝粚雍缚p金屬的比例達(dá)到25%左右，我們應(yīng)在第一層焊縫焊接時(shí)采用微小電流、緩慢的焊接速度從而達(dá)到減少原材料的熔融[2]。

2 焊接時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)

2.1 焊前準(zhǔn)備

在施焊前，清潔坡口及其原材料兩側(cè)表面各30mm范圍內(nèi)的一些氧化物、油漬、水分及其他有害雜質(zhì)。焊條必須烘干，烘干溫度要高達(dá)400℃，烘焙時(shí)間達(dá)到1 h，烘干即用。為使焊縫獲到最大的力學(xué)性能需要根據(jù)焊接條件采用堿性的焊條E5015（J507）預(yù)熱不僅可以改善焊接接頭的塑性，也能夠有效地降低焊縫受熱區(qū)的最高硬度，防止出現(xiàn)馬氏體淬硬組織，避免產(chǎn)生冷裂紋，降低焊后殘余應(yīng)力，所以我們?cè)诤盖安捎昧祟A(yù)熱這個(gè)主要的工藝措施——通常Q345的整體溫度為100～120℃[3]。

2.2 焊接檢查

該過(guò)程中一定要將背焊清根，每層之間要清除溢出的熔渣，兩側(cè)的湓溢物。焊縫的余高要控制在0到4mm之間，焊縫的表面不能夠存在顯而易見(jiàn)的裂紋、外部氣泡、夾渣、焊瘤、雙面焊縫中的焊穿問(wèn)題、焊縫間斷以及弧坑。為減少氣孔需采用窄道短弧焊接，工件的表面焊接焊縫要工整、順滑、有均勻分布的波紋狀，焊縫的邊緣直線度應(yīng)小于等于2mm。在焊后必須要對(duì)焊件立刻進(jìn)行退火溫度為620攝氏度消除應(yīng)力的熱處理。完善焊件的焊接質(zhì)量可以采用焊前預(yù)熱、焊中保溫以及焊后熱處理。

3 減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施

3.1 采用合理的焊接順序

要控制和減少焊接變形必須采用正確的焊接順序，它能夠使焊接變形在焊接過(guò)程中消失匿盡。將不同時(shí)間段、不同的區(qū)域產(chǎn)生的變形方向相反，程度相似相互抵消的方式來(lái)防止焊接變形。要減少焊接應(yīng)力就要依據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及焊縫的大致分布情況，確定合理的焊接順序和配置。應(yīng)遵循以下原則：焊接的時(shí)候由中間向兩邊焊接，也要交替的焊接，尤其是焊接的順序、方向、焊道的分部以及焊接的序次，要做到在結(jié)構(gòu)和安排上的相符合，若單邊拉伸極易產(chǎn)生角變形，因此要采用“剛性固定法”。要使每條焊縫自由的收縮就要降低束縛。

3.2 剛性固定法

采用剛性固定法的焊接方法，需使用兩件完全一樣的構(gòu)件相互鑲嵌，牢固的焊接，從而進(jìn)行剛性固定。在焊接過(guò)程中，每件構(gòu)件都會(huì)受到彎曲應(yīng)力，焊接縫隙會(huì)分布在結(jié)構(gòu)的左右兩邊，對(duì)稱焊接，要按照焊接順序，方向嚴(yán)格執(zhí)行，兩位焊工要在焊接的時(shí)候同時(shí)焊接達(dá)到平衡應(yīng)力，收縮。采用此種焊接方法不僅方便，而且焊后的變形方向會(huì)相反達(dá)到抵消的作用，從而降低變形的程度，在剛性固定的情況下，也能夠恰當(dāng)?shù)南齼啥撕附訒r(shí)產(chǎn)生的變形。但是值得注意的是工件焊后需進(jìn)行及時(shí)降低溫度、熱處理，用來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力[4]。

3.3 預(yù)熱法

焊前預(yù)熱是減少焊接應(yīng)力的最有效的方法，也就是在焊前將工件完整的預(yù)熱一遍再進(jìn)行焊接。焊前預(yù)熱不單單可以使焊縫區(qū)金屬和四周的金屬溫度差減少，在焊后又能夠均勻的緩慢的同時(shí)冷卻收縮，達(dá)到明顯的減少焊接應(yīng)力和焊接變形問(wèn)題。

3.4 焊后退火處理

焊后退火是最常見(jiàn)的、也是最有效果的消除焊接應(yīng)力的一種方法。焊后退火是焊后將工件均勻地加熱到一定溫度后，在保溫一定時(shí)間，而后緩慢的冷卻。被加熱的工件隨著溫度的升高，強(qiáng)度下降。當(dāng)強(qiáng)度下降到一定水平，焊接應(yīng)力大于加熱金屬的屈服強(qiáng)度時(shí)，工件就會(huì)產(chǎn)生局部塑形變形，從而是殘余應(yīng)力得到釋放。對(duì)于特定材質(zhì)的焊接構(gòu)件，保溫溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，消除應(yīng)力越徹底。在冷卻過(guò)程中，隨著溫度的降低，材料的屈服強(qiáng)度逐漸提高，不會(huì)再產(chǎn)生塑性變形。整體退火一般可消除絕大部分焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

抵制厚板的角變形的產(chǎn)生是在焊接時(shí)采用鑲嵌模式的剛性固定法，這種方法值得我們大力的推廣。在焊接的接頭處使用不同的坡口顯得格外重要。各種各樣的坡口模式、焊接的順序、方向、方法、工藝裝夾方式都會(huì)在焊接的時(shí)候嚴(yán)重影響厚板焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力的大小以及分布。厚板坡口形式可以采用雙U形焊縫坡口形式，但是卻不建議使用焊縫寬度加大的雙V形坡口。為使保溫層為最后焊層后熱，要在厚板焊接的最后焊層上在追加一層焊道。在焊縫完全冷卻至常溫后，去除該多余焊層，使焊縫與原材料平行，也可保留焊縫余高在要求范圍內(nèi)。

[1]張士相.淺談鑄鐵冷焊[J].現(xiàn)代制造工程，2011，03.

[2]沈正明.機(jī)械振動(dòng)消除焊接件的殘余應(yīng)力[J].航空制造技術(shù)，2011，01.

[3]關(guān) 橋.推廣應(yīng)用焊縫滾壓工藝中的幾個(gè)問(wèn)題[J].航空制造技術(shù)，2010，02.

[4]劉志強(qiáng).結(jié)507焊條采用回火道法焊接?xùn)|方紅75/54拖拉機(jī)大梁[J].機(jī)械工人.熱加工，2010，08.

To Reduce Welding Stress and Deformation Process Measures the Analysis and Discussion

QIJian-wei
(Huadian Caofeidian Heavy EquipmentCo.，Ltd.，Tangshan Hebei603200，China)

This papermainly introduces thewelding processofsteelstructure producewelding stressand deformation of the happen reason,also planning to prevent the deformation of the component basic processmeasures and matters of attention in thewelding process.

thewelding stress；deformation；processmeasures

TS132

A

1672-545X（2013）05-0276-02

2013-02-06

戚建偉（1980—），男，河北唐山人，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向?yàn)楹附討?yīng)用。